ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA E X P L O - S H I P 2 0 0 6
Janusz Uriasz
Kształt i rozmiary stref bezpieczeństwa statku
Słowa kluczowe: bezpieczeństwo nawigacji, strefa bezpieczeństwa statku,domena statku, pas ruchu, strefa zabroniona
Bezpieczne prowadzenie statku wymaga ciągłej identyfikacji i oceny sytuacji nawi-gacyjnej. Ocena bezpieczeństwa statku własnego sprowadzana jest często do ustalenia i obserwacji stref wokół statku. Pojawienie się obiektów obcych w tych strefach powodu-je powstanie zagrożenia bezpieczeństwa nawigacji i wymaga powodu-jego oszacowania oraz podjęcia odpowiednich przeciwdziałań. Innym podejściem jest sytuacja, w której zacho-wanie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa nawigacji wymaga nawigozacho-wanie w ra-mach ustalonej strefy (np. strefa rozgraniczenia ruchu). W artykule przedstawiono różne rodzaje stref bezpieczeństwa statku oraz ich przeznaczenie.
Shape and Dimension of Ship’s Safety Zones
Key words: safety of navigation, ship’s safety zone, ship domain, traffic lane, forbidden zone
Ship’s safety requires continuous identification and assessment of the navigational situation. The assessment of own ship’s safety is often reduced to watching the estab-lished zones around the ship. The safety level is decreased when another object disturbs the established zones, which requires evaluating the risk and making adequate coun-termeasures. The situation when we have to maintain an adequate level of safety leads to another approach, i.e. it requires navigating the ship within an established zone (traffic separation scheme). In the paper different kinds of ship’s zones and their purpose are presented.
Wstęp
Zadaniem nawigacji morskiej jest bezpieczne prowadzenie statku. Zadanie to wymaga ciągłej identyfikacji i oceny sytuacji nawigacyjnej. Ocena dokony-wana jest na podstawie zdefiniowanych kryteriów. Kryteria te warunkują przy-należność danej sytuacji nawigacyjnej do wzorca sytuacji bezpiecznej lub nie-bezpiecznej. Często miarą bezpieczeństwa nawigacyjnego jest odległość statku do niebezpieczeństwa nawigacyjnego. Tym niebezpieczeństwem może być inny statek lub przeszkoda nawigacyjna (mielizna, wrak, przęsła mostu itd.) Odległo-ści minimalne (dopuszczalne) dla wszystkich kątów kursowych statku określą strefę bezpieczeństwa wokół niego, którą nawigator będzie chciał utrzymywać wolną od innych obiektów. Podobną strefę można utworzyć wokół dowolnego obiektu (uznanego za niebezpieczny dla żeglugi). Nawigator będzie starał się nie dopuścić do wejścia statku własnego w taką strefę. Ostatecznie definiowane są strefy bezpiecznej nawigacji. Utrzymanie manewrującego statku w obrębie ta-kiej strefy zapewni bezpieczną – bezawaryjną nawigację.
W artykule przedstawiono przykłady i funkcje stref bezpieczeństwa statku.
1. Domena statku
Domena statku jest pewnym obszarem wokół statku, który nawigator chce utrzymać wolnym od innych obiektów (rys. 1). Jej kształt i wielkość uzależnione są od wielu czynników. Biorąc pod uwagę aspekt antykolizyjny i przepisy MPDM rozpatrujemy domenę dwuwymiarową. Najczęściej wykorzystywanym w praktyce nawigacyjnej kształtem domeny jest koło. Dotyczy to zwłaszcza systemów antykolizyjnych (ARPA), gdzie jej promień równy jest CPA o środku utożsamianym z pozycją statku. Innymi kształtami występującymi mogą być prostokąt, elipsa, wielokąt i inne figury płaskie.
Domenę mogą stanowić również części tych figur, ustalane przez nawigato-ra najczęściej w zakresie kątów kursowych, gdzie występuje duża dynamika zmian sytuacji nawigacyjnej. Wynika to z faktu występowania dużych wartości prędkości względnych między statkiem a innymi obiektami. Tworzone są wów-czas tzw. strefy ochronne (ang. guard zones). Ich przeznaczeniem jest wczesne wykrywanie potencjalnych sytuacji kolizyjnych.
Kolejnym przykładem domeny jest domena niemożności decyzyjnej opera-tora (rys. 2). Domena zorientowana jest zgodnie z kierunkiem ruchu statku i określa pewien obszar, w którym może znajdować się statek spowodowany brakiem rzeczywistej informacji o jego wektorze prędkości. Domena jest wy-cinkiem koła o promieniu a i szerokości wyznaczonej przez cięciwę b. Nato-miast długość promienia domeny uzależniona jest głównie od prędkości statku, podczas gdy jej szerokość od charakterystyki manewrowej.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00 45 90 135 180 225 270 315 średnia Max Min [Nm]
Rys. 1. Domeny statku ustalone na podstawie przeprowadzonych badań ankietowych Fig. 1. Ship’s domains determined by navigators in the questionnaire research
Rys. 2. Przykładowe domeny niemożności dla statków płynących z prędkością V1 i V2 [6] Fig. 2. Examples of inability domains for ships proceeding at speeds V1 and V2 [6] Dotychczas wykorzystanie takiej domeny mogło stwarzać pewne utrudnie-nia ze względu na brak bieżącej informacji o cechach manewrowych nowo wy-krytych obiektów. Stąd brak możliwości w ustaleniu jej rozmiarów. Aktualnie informacje takie mogą być przekazywane przez system AIS i podawane bezpo-średnio do systemów nawigacyjnych.
Domena może mieć swą granicę „ostrą”, tzn. jednostopniową, gdzie jej przekroczenie spowoduje zmianę stanu sytuacji nawigacyjnej z bezpiecznej na niebezpieczną. Domena może mieć granice wielostopniowe, których wielkość i kształt uzależnione są od przyjętego poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego. Domenę tą, do której budowy wykorzystuje się prawa logiki rozmytej nazywa-my roznazywa-mytą domeną statku (rys. 3).
Rys. 3. Domena rozmyta statku dla różnych wartości poziomu bezpieczeństwa nawigacyjnego Fig. 3. Ship’s fuzzy domain for different levels of navigational safety
2. Pas ruchu
Nawigacja szczególnie na akwenie ograniczonym obarczona jest ryzykiem. Wynika to z ograniczeń przestrzeni nawigacyjnej zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej (bliskość brzegów, dna, przęseł mostów itd.), natężenia ruchu statków, zjawisk pływowych i hydrodynamicznych. Ruch jednostki na akwenie ograniczonym można rozpatrywać jako ruch na wydzielonym pasie wpisanym w niego. Każdy akwen ograniczony można podzielić na pasy, podob-nie jak każdą krzywą można aproksymować odcinkami. W praktyce nawigacyj-nej tworzone są pasy w formie torów wodnych odpowiednio oznakowanych, w obrębie których nawigator jest zobligowany nawigować (rys. 4). Zapewnia on w ten sposób odpowiedni poziom bezpieczeństwa nawigacyjnego. Istnieje kilka metod wyznaczania torów wodnych – np. metody symulacyjne – IRM [2].
Dodatkowo na tym polu coraz częściej zastosowanie znajdują metody sztucznej inteligencji. Umożliwiają one pozyskać wiedzę ekspercką i na jej pod-stawie ustalić kształt i rozmiar pasa ruchu. Celem sprawdzenia możliwości wy-korzystania narzędzi SI do budowy pasów ruchu przeprowadzono eksperyment badawczy. Dotyczył on możliwości utworzenia pasa ruchu dla manewru wy-przedzania statku.
Rys. 4. Przykład pasa ruchu masowca 250 m, T = 10,5 m wyznaczonego metodami IRM [3] Fig. 4. Example of a ship’s swept path, a bulk carrier 250m long, draft 10.5 m, determined by
IRM methods [3]
2.1. Pas ruchu statku dla manewru wyprzedzania na torze wodnym
W przypadku manewru wyprzedzania na akwenie ograniczonym pas ruchu rozumiemy jako szerokość nawigacyjną kanału ograniczoną brzegiem oraz burtą statku wyprzedzanego (rys. 5). Jak w obrębie takiego pasa ruchu nawigować, aby przeprowadzenie manewru było bezpieczne?
Celem odpowiedzi na to pytanie zwrócono się do ekspertów – kapitanów. Ich wiedza została wykorzystana do ustalenia pasów ruchu dla różnych pozio-mów bezpieczeństwa nawigacyjnego (0 – bardzo bezpieczny; 1 – bardzo nie-bezpieczny). Przeprowadzono eksperyment badawczy, w którym symulowano manewr wyprzedzania statków. Zastosowano następujące modele akwenu i stat-ku:
– prostoliniowy odcinek toru wodnego o szerokości 200 m w lustrze wody; – dwa identyczne modele masowca (długość – 95,5 m; szerokość – 18,2 m). W czasie symulacji manewrów wyprzedzania rejestrowane były następujące parametry:
y – odległość statku od osi symetrii pasa ruchu;
KDd – odchylenie kursu statku od kursu zadanego (wyznaczonego
– prędkość obrotowa statku;
dmin – minimalna odległość między statkami, należy ją rozumieć jako od-ległość między najbliższymi punktami statków;
KK – kąt kursowy (kąt zawarty między osią symetrii toru wodnego
a prostą łączącą najbliższe punkty obydwu statków).
Rys. 5. Zobrazowanie manewru wyprzedzania statku na torze wodnym Fig. 5. Overtaking maneuver on a fairway
Eksperci biorący udział w eksperymencie na bieżąco dokonywali oceny bezpieczeństwa aktualnej sytuacji nawigacyjnej. Zarejestrowane w trakcie sy-mulacji dane (parametry i oceny) wykorzystano do budowy i uczenia sztucznej sieci neuronowej o logice rozmytej (rys. 6).
. . . . .. . .. . . . . .. . .. . . . . .. . .. . . . . .. . .. f1/f2 I1 2 242 V V 243
Warstwa 1 Warstwa 2 Warstwa 3
f(x) f1 f2 w 1 w 243 x1 x2 x3 x4 x5
Rys. 6. Struktura sieci neuronowej o logice rozmytej dla 5 danych wejściowych i 243 reguł wnioskowania
Uzyskane odpowiedzi sieci przedstawiono na wykresie (rys. 7) i obrazują one ocenę sytuacji nawigacyjnej manewru wyprzedzania. W analizowanej sytu-acji statek wyprzedzający porusza się kursem równoległym do osi symetrii toru wodnego, nie wykonuje zwrotu. Statek wyprzedzany znajduje się na kącie kur-sowym 45°. Ocena bezpieczeństwa nawigacyjnego wyznacza pas, w którym możliwy jest manewr wyprzedzania dla odpowiedniego poziomu bezpieczeń-stwa nawigacyjnego. Statek wyprzedzający w celu bezpiecznej realizacji ma-newru wyprzedzania musi utrzymać swoją trajektorię ruchu w obrębie odpo-wiedniego pasa ruchu.
Opierając się na sieci neuronowej o logice rozmytej, możliwe jest wykorzy-stanie wiedzy eksperckiej w celu ustalenia kształtu i rozmiarów pasów ruchu dla manewru wyprzedzania.
Rys. 7. Pasy ruchu manewru dla manewru wyprzedzania na akwenie ograniczonym o różnych poziomach bezpieczeństwa nawigacyjnego
Fig. 7. Swept paths for overtaking maneuver in a restricted area with different levels of naviga-tional safety
3. Strefa zabroniona
Na akwenach trudnych nawigacyjnie, jakimi są tory wodne, nie można przyjmować, że nawigujący statek jest punktem materialnym. W tej sytuacji ważne są także jego parametry geometryczne oraz położenie względem niebez-pieczeństw nawigacyjnych. Tym niebezniebez-pieczeństwem często jest inny statek spotykany na torze. W praktyce nawigacyjnej nawigator często rozważa decyzję o możliwości wykonania np. manewru wyprzedzania innego statku. Podstawo-wym pytaniem, na które musi znaleźć odpowiedź jest: czy wielkość jednostek i dostępna szerokość nawigacyjna akwenu umożliwia bezpieczną realizację ma-newru? Jaką zachować minimalną odległość między statkami w czasie wykony-wania manewru i jak ją oszacować? Odległość ta wyznaczy strefę zabronioną dla manewru wyprzedzania (rys. 8).
Rys. 8. Zobrazowanie stref zabronionych manewru wyprzedzania na torze wodnym Fig. 8. Zones of forbidden overtaking in a fairway
Celem znalezienia odpowiedzi na powyższe pytania posłużono się aparatem aproksymacyjnym – sztuczną siecią neuronową o logice rozmytej. Przeprowa-dzono badania ankietowe wśród nawigatorów. Nawigatorzy ustalali stopień bezpieczeństwa nawigacyjnego prezentowanych sytuacji nawigacyjnych w przyjętej skali ocen (0 – bardzo bezpiecznie; 4 – bardzo niebezpiecznie). Część zgromadzonych danych przedstawiono w tabeli 1.
L – długość statku B – szerokość statku d – odległość między statkami
Tabela 1 Zestawienie ocen średnich dla poszczególnych sytuacji nawigacyjnych
The average assessments of navigational situations
Sytuacja Parametry statku wyprzedzającego Odległość między statkami Ocena średnia
L [m] B [m] d [m] 1 60 8,5 5 4,0 2 60 8,5 10 3,8 3 60 8,5 20 2,8 4 60 8,5 30 2,0 5 60 8,5 40 1,0 6 72 10,2 5 4,0 7 72 10,2 10 3,8 8 72 10,2 20 3,5 9 72 10,2 30 2,5 10 72 10,2 40 1,8 11 84 11,9 5 4,0 12 84 11,9 10 4,0 13 84 11,9 20 3,8 14 84 11,9 30 3,0 15 84 11,9 40 2,0 16 96 13,6 5 4,0 17 96 13,6 10 4,0 18 96 13,6 20 4,0 19 96 13,6 30 3,0 20 96 13,6 40 2,8 21 108 15,3 5 4,0 22 108 15,3 10 4,0 23 108 15,3 20 4,0 24 108 15,3 30 3,0 25 108 15,3 40 2,8
Dane (oceny sytuacji, odległości poprzeczne między statkami, długości i szerokości statków) wykorzystano do budowy i przeprowadzenia procesu uczenia sztucznej sieci neuronowej o logice rozmytej. Przykład uzyskanych wyników przedstawiono na rysunku 9.
Rys. 9. Ocena manewru wyprzedzania na torze wodnym statku o długości 60 m i szerokości 8,5 m przez statki o różnej długości i szerokości przy stałej szerokości strefy zabronionej równej 50 m Fig. 9. Assessment of the overtaking manoeuvre in a fairway of a ship 60 m in length and 8.5 m beam by ships with different lengths and beams, with a constant 50 m width of the forbidden zone
Wykres przedstawia ocenę sytuacji nawigacyjnej manewru wyprzedzania dla statków o różnej wielkości i przy stałej strefie zabronionej między nimi wy-noszącej 50 metrów. Ocena umożliwia określić maksymalne parametry statków mogących wykonać manewr wyprzedzania dla danej strefy zabronionej. Pozwa-la także ustalić minimalną szerokość strefy zabronionej między statkami dPozwa-la bezpiecznej realizacji manewrów wyprzedzania.
Zakończenie
Przedstawione w artykule strefy bezpieczeństwa statku pozwalają dokonać oceny sytuacji nawigacyjnej. Strefy mogą przyjmować formy figur geometrycz-nych i być utożsamiane z pozycją statku lub wręcz statkiem. Takie domeny przemieszczają się w przestrzeni nawigacyjnej wraz ze statkiem. Ich zakłócenie spowoduje wzrost niebezpieczeństwa nawigacyjnego. Strefy bezpieczeństwa mogą być tworzone wokół niebezpieczeństw nawigacyjnych – wtenczas nawiga-tor musi manewrować statkiem z dala od nich. Wejście statku w taką strefę (ob-cą) spowoduje wzrost niebezpieczeństwa nawigacyjnego. Ostatecznie strefy bezpieczeństwa statku mogą przyjmować formę pasów – pewnej szerokości przestrzeni nawigacyjnej akwenów. Zapewnienie bezpieczeństwa nawigacyjne-go będzie wymagać od nawigatora manewrowania wewnątrz pasa ruchu, lub też takiego manewrowania, aby nie przekroczyć/wejść w ustaloną szerokość
nawi-gacyjną strefy zabronionej oddzielającej statek własny od niebezpieczeństwa nawigacyjnego.
W każdym przypadku przy ustalaniu wielkości i kształtów stref bezpieczeń-stwa możliwe jest zastosowanie praw logiki rozmytej. Na ich podstawie można ustalić strefy odpowiadające różnym poziomom bezpieczeństwa nawigacyjnego. W takiej sytuacji nawigator/dyspozytor/operator będzie dysponował dodatkowo informacją o aktualnym poziomie bezpieczeństwa nawigacyjnego i tendencji jego zmiany.
Zastosowanie stref bezpieczeństwa statku w systemach nawigacji zintegro-wanej lub w urządzeniach i ośrodkach kontroli ruchu niewątpliwie podniesie poziom bezpieczeństwa żeglugi. Do ich budowy można wykorzystać obserwacje własne (radar, ARPA, VDR), informacje zewnętrzne (AIS, LRIT, VTS) a także z baz danych systemów nawigacyjno-hydrograficznych (ECDIS, HO-ECDB).
Literatura
1. Banachowicz A., Uriasz J., Assessment of accuracy spatial coordinates of
ship’s position on fairway, International symposium “Modern technologies,
education and professional practice in the globalizing world”, International Association of Geodesy (IAG), 6 – 7 November 2003, Sofia.
2. Gucma S., Metody wyznaczania i kształtowania dróg wodnych, Studia nr 15, Wyd. WSM, Szczecin 1990.
3. http://irm.am.szczecin.pl
4. Pietrzykowski Z., Uriasz J., Methods and criteria of navigational situation
assessment in an open sea area, 5th International EuroConference on
Com-puter Aplications and Information Technology in the Maritime Industries”, Compit’05, Hamburg.
5. Pietrzykowski Z., Uriasz J., The ships domain in a deep-sea area, 3rd Inter-national conference on Computer and IT applications in the maritime indus-try”, Compit’04, Siguenza 2004.
6. Śniegocki H., Badanie wektora ruchu statku na torze podejściowym VTS, Gdańsk, rozprawa doktorska, Gdynia 2002.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
Adres Autora
dr inż. Janusz Uriasz
Akademia Morska w Szczecnie Instytut Nawigacji Morskiej
Zakład Łączności i Cybernetyki Morskiej lubat@am.szczecin.pl
